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本書詳細介紹嵌入式系統開發過程中的主要技術問題，著重講解嵌入式Linux系統的設計與實現，注重理論和實驗的結合。全書分為13章，內容包括緒論、Linux基礎知識、Linux編程環境、Linux外殼程序編程、構建嵌入式Linux開發平臺、ARM調試環境、嵌入式Bootloader技術、Linux內核配置、ARMLinux內核分析和移植、嵌入式文件系統、嵌入式Linux多線程編程、嵌入式Web服務器設計、嵌入式Linux的GUI等內容。 本書通俗易懂，圖文并茂，注重理解與實例，大部分章節配有實例和源程序，可操作性強。本書可作為計算機學科、電子信息類相關專業本科生、研究生及工程碩士的嵌入式系統課程的教材，也可供相關研究人員、工程技術人員閱讀參考。

本書著重講解嵌入式Linux系統的設計與實現，注重理論和實驗的結合。本書配套學習資源豐富，包括：課件、學習建議、源代碼和教學網站。

前言

嵌入式系統正在重新塑造人們的認知、生活、工作和娛樂方式。隨著物聯網及國內外嵌入式產品進一步開發和推廣，嵌入式系統已經滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、商業文化藝術及人們日常生活中的方方面面。圍繞著嵌入式系統構建的智能手機、人工智能、AR/VR、無人機、智能穿戴設備、汽車自動駕駛和智能家居系統等，極大地便利和豐富了人們的生活。由于嵌入式系統的研究和開發是一個理論性、實踐性非常強的工作，因此開發嵌入式系統需要高素質的研發人員。它不但要求研發人員熟悉嵌入式處理器的硬件結構，還要求更多地掌握嵌入式系統開發的各個環節，如Bootloader、內核、驅動、網絡和文件系統等，同時還必須具備所屬行業的相關知識和豐富的實踐經驗。

嵌入式Linux操作系統遵循GNU的GPL條款，具有源代碼開放、代碼工整、工作穩定、內核結構清晰、移植方便、系統內核小、執行效率高和網絡功能強大等特點，從而成為嵌入式市場的領先者。

本書大部分內容曾作為武漢大學電子信息學院研究生嵌入式原理與應用課程的講義連續使用多屆，取得良好的教學效果。編者總結了多年的科研經驗和案例，力求從基本概念、基本原理、基本方法和基本應用出發，使讀者能扎實、系統地掌握嵌入式Linux系統開發的方法和技能。

全書分為13章： 第1章緒論； 第2章為Linux操作系統入門基礎； 第3章介紹Linux系統環境下的程序設計基礎； 第4章學習Linux外殼程序的編程方法； 第5章介紹如何構建嵌入式Linux開發平臺； 第6章對ARM調試工具、編譯環境進行介紹； 第7章對嵌入式Bootloader技術進行詳細的分析； 第8章詳細講述Linux內核配置方法； 第9章以嵌入式操作系統ARMLinux為例，對其內核進行詳細的剖析，其原理也適用其他架構的處理器； 第10章對嵌入式文件系統進行綜合描述和具體分析； 第11章介紹嵌入式Linux多線程編程方法； 第12章就構建嵌入式Web服務器使用的相關技術進行了詳細的分析； 第13章詳細介紹嵌入式圖形用戶界面的原理和設計方法。

本書特點

 圖文并茂,注重整體內容框架的講解，培養學生的大局觀。例如，第1章用多幅圖片描述嵌入式Linux系統開發的整體框架及開發流程，便于讀者快速入門； 第8章用一張框圖描述整個Linux內核代碼樹的結構，便于理解與記憶。

 通俗易懂，注重理解與實例。大部分章節配有實例和源代碼，引導讀者逐步熟悉各種開發工具和環境，使讀者建立感性認識，為進一步深入學習打下良好的基礎，可操作性極強。

 代碼規范細致，內容深入，起點較高。在實例源代碼中，進行了非常詳細的注釋，可以引導讀者理解和掌握編寫程序的關鍵過程。在注重基礎和實踐的同時，注重知識的擴充，如本書對線程、網絡編程及圖形用戶界面編程做了深入的講解，使讀者對嵌入式Linux系統的開發水平有本質的提高。

 每章都給出了主要內容、本章小結以及思考題，有利于提升讀者的自學效果。

作者分工與致謝

本書由金偉正編著，徐穎、金詩怡參與了部分翻譯和編輯工作，他們的工作對本書的定稿起了很大的作用。本書參考了Embedded Linux Primer: A Practical, RealWorld Approach、Linux Kernel Development 3rd Edition等書籍，有些內容取材于國內外最新的教材和技術資料，詳見參考文獻，有興趣的讀者可以進一步查閱。在此，謹向多位原作者表達誠摯的敬意和真誠的感謝。本書的部分資料來自網絡，無法一一列舉，在此一并感謝。同時，特別感謝武漢大學電子信息學院對本書給予的大力支持。

聯系作者

由于編寫時間倉促，編著者的水平有限，書中難免存在不妥或錯誤之處，如果您對本書有任何意見或建議，或對本書中的內容或章節有興趣，不妨發電子郵件告訴我們（電子郵箱jwz@whu.edu.cn），您提出的問題和建議是編著者前進的動力。

金偉正2017年3月于武漢大學

學習建議

 本書定位

本書可作為計算機學科、電子信息類相關專業本科生、研究生及工程碩士的嵌入式系統課程的教材，也可供相關研究人員、工程技術人員閱讀參考。

 建議授課學時

如果將本書作為教材使用，建議將課程的教學分為課堂講授和學生自主上機兩個層次。課堂講授建議36～48學時，學生自主上機建議18~24學時。教師可以根據不同的教學對象或教學大綱要求安排學時數和教學內容。

 教學內容、重點和難點提示、課時分配

序號

教學內容

教學重點

教學難點

課時分配

第1章

緒論

嵌入式系統開發的一般過程、嵌入式操作系統

嵌入式系統開發的一般過程及方法

2學時

第2章

Linux基礎知識

認識Linux操作系統、

Linux基本操作命令、

Linux文件與目錄系統、

Linux網絡服務

Linux基本操作命令的使用

2學時

第3章

Linux編程環境

Linux編程環境、VIM及Emacs的使用、GNU make使用及Makefile編程、

GDB的使用方法

GNU make使用及Makefile編程方法

2學時

第4章

Linux

外殼程序編程

創建和運行外殼程序、外殼程序的編程

2學時

第5章

構建嵌入式

Linux開發平臺

GNU跨平臺開發工具鏈、

嵌入式Linux內核及根文件系統、Bootloader簡介

GNU跨平臺開發工具鏈的建立過程

4學時

第6章

ARM調試環境

ARM調試工具簡介、

ADS軟件調試工具

2學時

第7章

嵌入式

Bootloader技術

Bootloader的基本概念、典型結構框架、分析和移植

Bootloader的移植

6學時

第8章

Linux內核配置

內核開發特點、嵌入式Linux內核代碼結構、嵌入式Linux內核配置

嵌入式Linux內核配置原理及方法

6學時

第9章

ARMLinux

內核分析和移植

ARMLinux的結構組成、

ARMLinux的移植

ARMLinux的移植

6學時

續表

序號

教學內容

教學重點

教學難點

課時分配

第10章

嵌入式文件系統

Linux文件系統結構與特征、嵌入式文件系統的類型、根文件系統的構建

根文件系統的構建及設計

4學時

第11章

嵌入式Linux

多線程編程

Linux線程編程基礎、線程的同步與互斥

4學時

第12章

嵌入式Web

服務器設計

TCP/IP、UDP及HTTP等協議、socket編程基礎、嵌入式Web服務器介紹、Web服務器構建

嵌入式Web服務器類型及Web服務器構建

4學時

第13章

嵌入式Linux

的GUI

嵌入式GUI簡介、MiniGUI及Qt/Embedded程序設計

MiniGUI及Qt/

Embedded的移植

4學時

 網上資源

本書的教學資源可從武漢大學課程中心網推薦課程中獲取，網址為： http://kczx.whu.edu.cn/G2S/ShowSystem/CourseCommend.aspx。如果課時寬裕，教師可選取一些專家講座或公開課視頻，在課堂上播放，以擴大學生的眼界。

作者簡介金偉正 武漢大學電子信息學院副教授，碩士生導師。全國安全防范報警系統標準化技術委員會TC100通信會員，廣東省安防協會高級會員。有著豐富的教學經驗，出版過教材和專著多部，寫作經驗豐富。

目錄

第1章緒論

1.1嵌入式系統概述

1.1.1嵌入式系統的歷史

1.1.2嵌入式系統的特點

1.1.3嵌入式處理器

1.1.4嵌入式系統的發展趨勢

1.2嵌入式系統開發

1.2.1需求分析及概要設計

1.2.2嵌入式系統中的硬件及軟件

1.2.3嵌入式系統開發的一般過程

1.3嵌入式操作系統

1.3.1嵌入式操作系統的分類

1.3.2嵌入式操作系統的特點

1.3.3典型的嵌入式操作系統

1.3.4嵌入式操作系統的選擇

1.4本章小結

1.5思考題

第2章Linux基礎知識

2.1認識Linux操作系統

2.1.1Linux簡明歷史

2.1.2Linux系統的特點和組成

2.1.3Linux的開發過程

2.2基本操作命令

2.2.1字符界面簡介

2.2.2常用命令簡介

2.3Linux文件與目錄系統

2.3.1Linux文件系統類型介紹

2.3.2Linux目錄系統

2.4shell簡介

2.5網絡服務簡介

2.5.1Linux支持的網絡協議

2.5.2Linux的網絡服務

2.6本章小結

2.7思考題

第3章Linux編程環境

3.1Linux編程環境介紹

3.1.1開發工具環境

3.1.2基于文本模式的開發平臺

3.1.3集成開發平臺Eclipse CDT

3.1.4文檔幫助環境

3.2常用編輯器

3.2.1VIM編輯器

3.2.2Emacs編輯器

3.3gcc編譯器的使用

3.3.1gcc的主要選項

3.3.2GNU C擴展簡介

3.4GNU make管理項目

3.4.1make簡介

3.4.2編寫Makefile文件的規則

3.5GDB調試

3.5.1GDB命令介紹

3.5.2GDB調試例程

3.5.3基于GDB的圖形界面調試工具

3.6本章小結

3.7思考題

第4章Linux外殼程序編程

4.1創建和運行外殼程序

4.1.1創建外殼程序

4.1.2運行外殼程序

4.2使用外殼變量

4.2.1給變量賦值

4.2.2讀取變量的值

4.2.3位置變量和其他系統變量

4.2.4引號的作用

4.3數值運算命令

4.4條件表達式

4.4.1if表達式

4.4.2case表達式

4.5循環語句

4.5.1for語句

4.5.2while語句

4.5.3until語句

4.5.4repeat語句

4.6shift命令

4.7select語句

4.8函數

4.9shell應用舉例

4.10本章小結

4.11思考題

第5章構建嵌入式Linux開發平臺

5.1GNU跨平臺開發工具鏈

5.1.1基礎知識

5.1.2GNU跨平臺開發工具鏈的建立過程

5.2嵌入式Linux內核

5.3嵌入式Linux根文件系統

5.4Bootloader簡介

5.5本章小結

5.6思考題

第6章ARM調試環境

6.1ARM調試工具簡介

6.1.1JTAG仿真器

6.1.2MultiICE Server

6.2ADS軟件調試工具

6.2.1使用Metrowork CodeWarrior for ARM Developer Suite

6.2.2使用RealView Debugger

6.2.3使用AXD Debugger

6.3本章小結

6.4思考題

第7章嵌入式Bootloader技術

7.1Bootloader的基本概念

7.1.1Bootloader的安裝點和啟動過程

7.1.2Bootloader的模式

7.1.3Bootloader與主機之間的通信方式

7.2Bootloader典型結構框架

7.2.1Bootloader總體流程

7.2.2Bootloader的stage1

7.2.3Bootloader的stage2

7.3典型Bootloader分析和移植

7.3.1Blob

7.3.2UBoot

7.4其他Bootloader簡介

7.4.1Redboot

7.4.2ARMBoot

7.4.3PPCBoot

7.5本章小結

7.6思考題

第8章Linux內核配置

8.1內核概述

8.2嵌入式Linux內核代碼結構

8.3內核開發的特點

8.3.1沒有libc庫

8.3.2GNU C

8.3.3沒有內存保護機制

8.3.4不要輕易在內核中使用浮點數

8.3.5容積小而固定的棧

8.3.6同步和并發

8.3.7可移植性的重要性

8.4嵌入式Linux內核的配置

8.4.1Makefile

8.4.2配置文件

8.4.3Linux內核配置選項

8.5配置舉例

8.6本章小結

8.7思考題

第9章ARMLinux內核分析和移植

9.1ARM微處理器

9.1.1RISC體系結構

9.1.2ARM微處理器的類型

9.1.3ARM微處理器的寄存器結構

9.1.4ARM微處理器的指令結構

9.2ARMLinux內存管理

9.2.1內存管理單元(MMU)

9.2.2ARMLinux的存儲管理機制

9.2.3ARMLinux存儲機制的建立

9.2.4ARMLinux對進程虛擬空間的管理

9.3ARMLinux進程管理與調度

9.3.1task_struct數據結構

9.3.2Linux進程的創建、執行和消亡

9.3.3ARM_Linux的進程調度

9.4ARMLinux中斷與中斷處理

9.4.1Linux處理中斷概述

9.4.2ARM體系程序的執行流程

9.4.3ARM處理器對異常中斷的響應及返回過程

9.5Linux驅動程序簡介

9.5.1設備的分類

9.5.2設備號

9.5.3設備節點

9.5.4用戶空間和內核空間

9.6Linux模塊化機制

9.6.1Linux的模塊化

9.6.2模塊的載入

9.6.3模塊的卸載

9.7ARMLinux系統啟動與初始化

9.7.1內核數據結構的初始化

9.7.2外設初始化

9.7.3init進程和linittab文件

9.7.4rc啟動腳本

9.7.5shell的啟動

9.8ARMLinux內核裁減

9.9ARMLinux移植

9.9.1移植準備

9.9.2移植步驟

9.9.3配置內核選項

9.9.4修改Kernel文件系統部分代碼

9.10本章小結

9.11思考題

第10章嵌入式文件系統

10.1Linux文件系統結構與特征

10.1.1Linux文件系統概述

10.1.2Linux文件系統布局

10.1.3Linux支持的文件系統

10.2嵌入式文件系統簡介

10.2.1NOR Flash與NAND Flash介紹

10.2.2MTD介紹

10.2.3cramfs文件系統簡介

10.2.4romfs文件系統簡介

10.2.5JFFS文件系統簡介

10.2.6YAFFS文件系統簡介

10.3構建根文件系統

10.4根文件系統設置

10.5BusyBox

10.5.1BusyBox簡介

10.5.2使用BusyBox構建根文件系統

10.6嵌入式文件系統的設計

10.6.1文件系統格式的選型的基本策略

10.6.2混合型文件系統的設計

10.7本章小結

10.8思考題

第11章嵌入式Linux多線程編程

11.1線程基本概念

11.1.1Linux線程簡介

11.1.2Linux線程編程基礎

11.2多線程同步

11.2.1互斥鎖

11.2.2條件變量

11.2.3信號量

11.3生產者消費者問題

11.3.1生產者消費者問題簡介

11.3.2生產者消費者問題實例

11.4本章小結

11.5思考題

第12章嵌入式Web服務器設計

12.1TCP/IP協議

12.1.1TCP/IP協議棧

12.1.2TCP/IP協議棧的數據流向

12.1.3TCP協議與UDP協議

12.2HTTP協議

12.2.1HTTP協議的方法

12.2.2HTTP協議消息頭

12.2.3HTTP協議使用舉例

12.2.4內核網絡服務

12.3socket編程基礎

12.3.1socket描述

12.3.2socket描述符

12.4嵌入式Web服務器介紹

12.4.1協議標準

12.4.2瘦Web服務器

12.4.3嵌入式應用接口技術

12.4.4實現形式

12.4.5RomPager

12.4.6EMIT

12.5Web服務器構建

12.6本章小結

12.7思考題

第13章嵌入式Linux的GUI

13.1嵌入式GUI簡介

13.1.1MiniGUI

13.1.2Qt/Embedded

13.1.3NanoX

13.1.4OpenGUI

13.2MiniGUl程序設計基礎

13.2.1MiniGUI V1.3.3軟件包

13.2.2MiniGUI的特點

13.2.3窗口處理過程

13.2.4MiniGUI的線程機制

13.2.5MiniGUI的體系結構

13.2.6MiniGUI的底層引擎

13.2.7MiniGUI的三種運行模式

13.2.8MiniGUI移植

13.3Qt/Embedded程序設計基礎

13.3.1Qt/Embedded圖形引擎實現基礎

13.3.2Qt/Embedded事件驅動基礎

13.3.3Qt/Embedded底層支持分析

13.3.4Qt/Embedded移植

13.4本章小結

13.5思考題

參考文獻